JP2008128961A

JP2008128961A - 絶対角検出装置

Info

Publication number: JP2008128961A
Application number: JP2006317269A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Sano; 正佐野
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-06-05
Also published as: US20080122437A1; US7791333B2; EP1925913A2

Abstract

【課題】磁気センサから出力される正弦信号及び余弦信号から求める逆正接信号の切り換わり位置にズレが生じても回転体の絶対角の検出を高精度に行うことができる絶対角検出装置を提供する。
【解決手段】回転体Ａの回転に連動して回転する回転磁石１０の回転角θに応じた磁界の方向変化によってｓｉｎθ、ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ、−ｃｏｓθの各信号を出力する磁気センサ１１を備える。磁気センサの各出力信号から、位相が各出力信号の１／４周期分ずれた第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号を生成する。これら２つのｔａｎ^−１θの信号から、これら２つのｔａｎ^−１θの信号の切り換わり位置付近を使用しない鋸歯状信号を生成し、この鋸歯状信号に基づいて回転体Ａの１回転内の絶対角を検出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、絶対角検出装置に係り、特に、回転体に磁気センサを取り付け、当該磁気センサから出力される正弦信号及び余弦信号により逆正接値（ｔａｎ^−１θ）を求め、この逆正接値に基づいて回転体の回転角度を算出する絶対角検出装置に関する。

従来より、回転体との間の相対回転角θに応じた正弦信号及び余弦信号を出力する複数の磁気検出素子と、これら複数の磁気検出素子から出力される正弦信号及び余弦信号より逆正接値を求め、この逆正接値に基づいて回転体と磁気検出素子との間の回転角度を算出する算出手段とを備えた回転角度検出装置が知られている。前記磁気検出素子としては、ホール素子や磁気抵抗素子などが用いられる（例えば、特許文献１参照。）。

この回転角度検出装置は、磁気検出素子から出力される正弦信号及び余弦信号から直接回転体の回転角度を算出するのではなく、正弦信号及び余弦信号より逆正接値を求め、この逆正接値に基づいて回転体の回転角度を算出する。
特開２００６−４７２２８号公報（図１〜図４）

しかしながら、この種の複数の磁気検出素子を備えた回転角度検出装置においては、各磁気検出素子の特性のバラツキ、各磁気検出素子に供給される印加電圧、各磁気検出素子からの出力電圧の変動、磁気抵抗素子の配置ズレによって生じる出力信号（正弦信号，余弦信号）の位相ズレ、或いは機構部のガタの影響などにより、図６に示すように、逆正接信号の切り換わり位置、すなわち、逆正接信号が直線状に立ち上がる部分から急激に立ち下がる部分への切り換わり位置（図６の例では、０°，１８０°，３６０°などの位置）が本来の位置からずれるため、切り換わり位置付近における回転角度の算出を高精度に行うことが困難になるという問題がある。

本発明は、かかる従来技術に課題を解決するためになされたものであり、その目的は、磁気センサから出力される正弦信号及び余弦信号から求める逆正接信号の切り換わり位置にズレが生じても、絶対角の検出を高精度に行うことができる絶対角検出装置を提供することにある。

本発明は、かかる課題を解決するため、絶対角検出装置を、回転体と、該回転体の回転に連動して回転する回転磁石と、該回転磁石の回転角θに応じた磁界の方向変化によってｓｉｎθ、ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ、−ｃｏｓθの各信号を出力する磁気センサとを備え、前記磁気センサの各出力信号から、位相が前記各出力信号の１／４周期分ずれた第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号を生成すると共に、これら２つのｔａｎ^−１θの信号から、ｓｉｎθの信号とｃｏｓθの信号のクロス点、−ｓｉｎθの信号とｃｏｓθの信号のクロス点、ｓｉｎθの信号と−ｃｏｓθの信号のクロス点及び−ｓｉｎθの信号と−ｃｏｓθの信号のクロス点で第１のｔａｎ^−１θの信号から第２のｔａｎ^−１θの信号に、又は第２のｔａｎ^−１θの信号から第１のｔａｎ^−１θの信号に切り換わる鋸歯状信号を生成し、この鋸歯状信号に基づいて前記回転体の１回転内の角度を検出するという構成にした。

かかる構成によると、第１と第２のｔａｎ^−１θの信号の切り換わり位置付近を利用することなく鋸歯状信号を生成できるので、回転体の１回転内において絶対角を高精度に検出することができる。角度検出用の鋸歯状信号は、ｓｉｎθの信号と−ｃｏｓθの信号とのクロス点、又は−ｓｉｎθの信号とｃｏｓθの信号とのクロス点において、第１のｔａｎ^−１θから第２のｔａｎ^−１θに切り換えると共に、−ｓｉｎθの信号と−ｃｏｓθの信号とのクロス点、又はｓｉｎθの信号とｃｏｓθの信号とのクロス点において、第２のｔａｎ^−１θから第１のｔａｎ^−１θに切り換えるので、１周期が４５°で回転体の１回転内に８周期をなすように形成される。

また、本発明は、前記回転体の１回転を８ｎ個（ｎは自然数）のセクタに分割し、それら各セクタのそれぞれに対応する前記鋸歯状信号に基づいて各セクタ内の角度を検出するという構成にした。

かかる構成により、１セクタに割り当てられる角度を４５°以下に設定できるので、鋸歯状信号を用いて回転体の絶対角を高分解能かつ高精度に検出することができる。

また、本発明は、前記回転体にその回転軸と同心にコードホイールを設け、該コードホイールにセクタを識別するためのデジタルコード列に応じたコードパタンを設け、該コードパターンと対向するようにコード検出素子を設ける構成にした。

かかる構成により、回転体の１回転を８ｎ個に当分割する各セクタ内の角度とデジタルコ−ド列とを組み合わせることによって、回転体の１回転内の絶対角を容易かつ高精度に検出することができる。

また、本発明は、前記回転磁石は、前記回転体または前記コードホイールに増速機構を介して連結される構成とするのが望ましい。

かかる構成により、増速比を適宜選択すると回転体の１回転に割り振るセクタ数を適宜設定でき、回転角度を所望の分解能で高精度に検出することができる。その増速比を２以上の自然数倍とすると、回転体の１回転を等分するセクタの設定を容易にしかつ各セクタ内の角度検出が容易にすることができる。

さらに本発明は、前記コードホイールをなす第一歯車と、前記回転体の回転軸に平行な回転軸をもち前記第一歯車に噛合する第二歯車とを有し、前記回転磁石は、該回転磁石の中心が前記第二歯車の回転中心と一致するように設けられるのが望ましい。

かかる構成によると、絶対角検出装置の構成を簡略化できる。

本発明の絶対角検出装置は、ｓｉｎθ、ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ、−ｃｏｓθの各信号を出力する磁気センサの各出力信号から、位相がそれら各出力信号の１／４周期分ずれた第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号を生成すると共に、これらの第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号の切り換わり位置付近を利用しないで鋸歯状信号を生成し、この鋸歯状信号に基づいて回転体の回転角度を検出するので、回転体の１回転内において絶対角を高精度に検出することができる。

以下、本発明に係る絶対角検出装置の一例を、図１乃至図５にしたがって説明する。図１は実施形態に係る絶対角検出装置の機構部の構成図、図２はセクタ識別用の４個の磁気検出素子から出力される信号の出力タイミングと各セクタに割り振られるセクタ識別用デジタルコードとの関係を示す図、図３は実施形態に係る絶対角検出装置に備えられる磁気センサの構成図、図４は実施形態に係る絶対角検出装置の信号処理系の構成図、図５は磁気センサからの出力信号と出力信号から生成される位相が１／４周期分ずれた第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号とこれら第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号から生成される鋸歯状信号とセクタ分割との関係を示すグラフ図、図６は従来技術の問題を説明するグラフ図である。

図１に示すように、本例の絶対角検出装置は、回転体Ａと、その回転軸と同心に取り付けられるコードホイールとしての第１歯車１と、第１歯車１の回転中心を中心とする円周上に形成された第１及び第２のコードパターン２，３と、第１のコードパターン２に対向して配置された第１及び第２の検出素子４，５と、第２のコードパターン３に対向して配置された第３及び第４の検出素子６，７と、第１乃至第４の検出素子４〜７が実装された回路基板８と、第１歯車１に噛み合わされ第１歯車１の回転に連動して回転し、回転体Ａの回転軸に平行な回転軸をもつ第２歯車９と、第２歯車９の回転中心と同心に取り付けられるリング状の回転磁石１０と、回転磁石１０の回転角θに応じた磁界の方向変化によって、第２歯車９（回転磁石１０）の１回転を１周期とするｓｉｎθ、ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ、−ｃｏｓθの各信号を出力する磁気センサ１１とから主に構成されている。

第１歯車１と第２歯車９とは、回転体Ａに対する回転磁石１０の増速機構になっている。増速機構は、第１歯車１に対し第２歯車９が増速回転するように、第１歯車１の歯数よりも第２歯車の歯数を小さな数とし、それぞれの歯数が増速比に応じて設定される。その増速比は、任意に設定可能であるが、回転体Ａの１回転を等分するセクタの設定を容易にしかつ各セクタ内の角度検出が容易にするために、２以上の自然数倍とすることが望ましい。本実施形態においては、第１歯車１の歯数が１１２、第２歯車９の歯数が５６に設定されており、第１歯車１（回転体Ａ）が１回転する間に第２歯車９（回転磁石１０）が２回転するようになっている。

第１及び第２のコードパターン２，３は、遮光板をもって構成され、第１乃至第４の検出素子４〜７としては、発光素子と受光素子とが一体に形成されたフォトインタラプタが用いられる。第１乃至第４の検出素子４〜７は、第１及び第２のコードパターン２，３のそれぞれの両側に発光素子と受光素子とが配置されるようにして回路基板８に実装される。本例の絶対角検出装置においては、第１歯車１（回転体Ａ）が１回転する間に、検出素子４〜７から図２（ｂ）に示すタイミングで信号Ｄ１〜Ｄ４が出力されるように、第１歯車１上における第１及び第２のコードパターン２，３の配列と、これに対する第１乃至第４の検出素子４〜７の配列とが定められている。

図２（ｂ）に示すように、出力信号Ｄ１〜Ｄ４における高レベルの信号を“１”、低レベルの信号を“０”とすると、出力信号Ｄ１〜Ｄ４を組み合わせたコード列は、図２（ａ）に示すように第１歯車の１回転に対して８つに等分割された各セクタ毎に異なるデジタルコード列をなす。それらのデジタルコード列は、図４に示すセクタ識別部３１からセクタ識別信号として出力される。したがって、第１歯車１（回転体Ａ）の１回転が８個のセクタに等分割される場合（１セクタは４５°）、各セクタ毎に異なるデジタルコードを割り振ることができ、それらのデジタルコードを検出することにより、各セクタを識別することができる。

磁気センサ１１は、図３にに示すように、４個の磁気検出素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを有し、各磁気検出素子が矩形状の短手方向に磁化された２つの磁気抵抗素子１１Ａ，１１Ａを有して、その磁化方向が各磁気検出素子間で直交するように形成されており、計８つの磁気抵抗素子を抵抗素子とするブリッジ回路（図示略）が構成され、図示しない固定部材に固定された基板上に設けられる。それらの磁気抵抗素子は、異方性磁気抵抗効果をもつ強磁性体膜からなり、その抵抗値が磁気センサにかかる磁束の向き（磁界の方向変化）に応じて変化する。

磁気検出素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ間の距離が等距離にある点Ｘが回転磁石１０の回転中心と同心に配置されるので、回転磁石１０の回転に伴い、磁気検出素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄからは位相が１／４周期（４５°）ずつずれたｓｉｎθ、ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ、−ｃｏｓθの各信号が出力される。なお、本例の絶対角検出装置において、回転体Ａが１回転する間に回転磁石１０が２回転するように第１及び第２の歯車１，９からなる増速機構が構成されているので、回転体Ａが１回転する間に磁気検出素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄからｓｉｎθ、ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ、−ｃｏｓθの各信号が２周期分出力される。なお、磁気検出素子として、磁気抵抗素子、ホール素子などを用いることができる。これらのうち、温度変化による出力変動が小さいことから、磁気抵抗素子が特に好適である。

図４に示すように、本例の絶対角検出装置の信号処理系は、磁気センサ１１から出力されるｓｉｎθ、ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ、−ｃｏｓθの各信号を増幅する第１乃至第４の増幅器２１〜２４と、増幅されたｓｉｎθ、ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ、−ｃｏｓθの各信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２５〜２８と、Ａ／Ｄ変換されたｓｉｎθ、ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ、−ｃｏｓθの各信号に基づいて、位相がこれらの各信号の１／４周期分ずれた第１及び第２のｔａｎ^−１θ、即ち、ｓｉｎθ／ｃｏｓθ又は−ｓｉｎθ／−ｃｏｓθと、ｃｏｓθ／−ｓｉｎθ又は−ｃｏｓθ／ｓｉｎθを演算する演算部２９と、演算部２９から出力される第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号をｓｉｎθの信号とｃｏｓθの信号のクロス点、−ｓｉｎθの信号とｃｏｓθの信号のクロス点、ｓｉｎθの信号と−ｃｏｓθの信号のクロス点及び−ｓｉｎθの信号と−ｃｏｓθの信号のクロス点で相互に切り換え、角度検出用の鋸歯状信号を生成する信号切換部３０と、第１乃至第４の検出素子４〜７から入力される４ビットのデジタルコードに基づいて回転体Ａの１回転を等分割してなる複数のセクタのそれぞれを識別するセクタ識別部３１と、信号切換部３０から出力される角度検出用の鋸歯状信号及びセクタ識別部３１から出力されるセクタ識別信号に基づいて回転体Ａの回転角度を検出する角度検出器３２とから主に構成されている。

図５において、初期位相が２２．５°である正弦信号及び余弦信号の例を説明するが、初期位相がゼロの場合は勿論のこと、他の角度を初期位相としたものであってもよい。まず、図５のｓｉｎ（θ−２２．５°）、ｃｏｓ（θ−２２．５°）、−ｓｉｎ（θ−２２．５°）、−ｃｏｓ（θ−２２．５°）は、磁気検出素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから出力される信号を示しており、それらの出力信号が回転体Ａの１回転内に２周期分出力され、各出力信号の位相は相互に１／４周期分ずれている。また、ｓｉｎ（θ−２２．５ °）／ｃｏｓ（θ−２２．５°）又は−ｓｉｎ（θ−２２．５°）／−ｃｏｓ（θ−２２．５°）に応じる第１のｔａｎ^−１（θ−２２．５°）が実線で描かれ、ｃｏｓ（θ−２２．５°）／−ｓｉｎ（θ−２２．５°）又は−ｃｏｓ（θ−２２．５°）／ｓｉｎ（θ−２２．５°）に応じる第２のｔａｎ^−１（θ−２２．５°）が破線で描かれている。それらの第１，第２のｔａｎ^−１（θ−２２．５°）は、各磁気検出素子からの出力信号の１／４周期分ずれている。

図４の信号切換部３０において、ｓｉｎ（θ−２２．５°）の信号とｃｏｓ（θ−２２．５°）の信号とのクロス点、−ｓｉｎ（θ−２２．５°）の信号とｃｏｓ（θ−２２．５°）の信号とのクロス点、ｓｉｎ（θ−２２．５°）の信号と−ｃｏｓ（θ−２２．５°）の信号とのクロス点及び−ｓｉｎ（θ−２２．５°）の信号と−ｃｏｓ（θ−２２．５°）の信号とのクロス点において、第１，第２のｔａｎ^−１（θ−２２．５°）を相互に切り換えることによって、図５に太い実線で示すように、回転体Ａの１回転内に８周期の鋸歯状信号が生成される。

具体的には、信号切換部３０において、ｓｉｎ（θ−２２．５°）の信号と−ｃｏｓ（θ−２２．５°）の信号とのクロス点、又は−ｓｉｎ（θ−２２．５°）の信号とｃｏｓ（θ−２２．５°）の信号とのクロス点において、第１のｔａｎ^−１（θ−２２．５°）から第２のｔａｎ^−１（θ−２２．５°）に切り換えると共に、−ｓｉｎ（θ−２２．５°）の信号と−ｃｏｓ（θ−２２．５°）の信号とのクロス点、又はｓｉｎ（θ−２２．５°）の信号とｃｏｓ（θ−２２．５°）の信号とのクロス点において、第２のｔａｎ^−１（θ−２２．５°）から第１のｔａｎ^−１（θ−２２．５°）に切り換えられる。したがって、図４の角度検出部３２において、信号切換部３０から出力される１周期が４５°のｔａｎ^−１（θ−２２．５°）の信号と、セクタ識別部３１から出力されるセクタ識別信号とを対応させることによって、回転体Ａの回転角度を０．５°以下の分解能で検出することができる。

なお、回転体Ａの１回転を１６分割して回転体Ａの絶対角を検出するためには、第１歯車１が１回転（３６０°）する間に第２歯車９を４回転させるように第１歯車と第２歯車の各歯数を設定し、信号切換部３０で得られる１周期が２２．５°のｔａｎ^−１θの信号と、各セクタ毎に異なる１６個のデジタルコード列を生成して得られるセクタ識別信号とを対応させることによって、回転体Ａの絶対角度を検出すればよい。

このように、本例の絶対角検出装置は、第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号を角度検出用の信号として直接利用するのではなく、これらの各信号の切り換わり位置付近を利用しないで鋸歯状信号を生成し、この鋸歯状信号に基づいて回転体Ａの回転角度を検出するので、絶対角検出装置に備えられた複数の磁気検出素子１１ａ〜１１ｄの特性のバラツキ、各磁気検出素子１１ａ〜１１ｄに供給される印加電圧及び出力電圧の変動、各磁気抵抗素子１１ａ〜１１ｄの配置ズレによって生じる出力信号（正弦波，余弦波）の位相ズレ、及び第１歯車１と第２歯車９との間のガタ（バックラッシュ）の影響などにより、第１，第２のｔａｎ^−１θの信号の切り換わり位置にズレが生じた場合でも、回転体の１回転内において絶対角を高精度に検出することができる。

また、本例の絶対角検出装置は、回転体の１回転を８セクタに分割するため、１セクタ当たりの角度を４５°と小さくすることができ、鋸歯状信号を用いて回転体の絶対角を０．５°以下の分解能で検出することができる。なお、第１歯車１の歯数よりも第２歯車の歯数をさらに小さな数とすることによって、回転体の１回転に割り振るセクタ数をより大きく設定でき、高分解能で高精度に検出できる。

また、本実施形態の増速機構は、第１歯車１（コードホイール）と回転体Ａの回転軸に平行な回転軸をもつ第２歯車９とが噛合され、第２歯車９と一体的に回転磁石１０が設けられる構成とすることによって、絶対角検出装置の構成を簡略化できる例を説明したが、その他の構成として、第１歯車１をギヤのないコードホイールとし、回転体Ａに歯車を取付けて、その歯車と回転体Ａの回転軸に平行な回転軸をもつ第２歯車９とを噛合させるものとしてもよいし、回転体Ａにギヤを形成し、そのギヤ部と回転体Ａの回転軸に平行な回転軸をもつ第２歯車９とを噛合させるものであってもよい。

なお、前記実施形態においては、デジタルコード検出手段を遮光板とフォトインタラプタの組合せをもって形成したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、透孔や切り欠きなどの光学パターンとフォトインタラプタとの組合せ、磁気パターンと磁気検出素子との組合せ、又は抵抗体パターンと集電ブラシとの組合せなどをもって構成することもできる。

実施形態に係る絶対角検出装置の機構部の構成図である。セクタ識別用の４個の検出素子から出力される信号の出力タイミングと各セクタに割り振られるセクタ識別用デジタルコードとの関係を示す図である。実施形態に係る絶対角検出装置に備えられる磁気センサの構成図である。実施形態に係る絶対角検出装置の信号処理系の構成図である。磁気センサからの出力信号と当該出力信号から生成される位相が１／４周期分ずれた第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号とこれら第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号から生成される鋸歯状信号とセクタ分割との関係を示すグラフ図である。従来技術の問題を説明するグラフ図である。

符号の説明

１第１歯車（コードホイール）
２，３コードパターン
４〜７検出素子（フォトインタラプタ）
９第２歯車
１０回転磁石
１１磁気センサ
１１ａ〜１１ｄ磁気検出素子
２１〜２４増幅器
２５〜２８Ａ／Ｄ変換器
２９演算部
３０信号切替部
３１セクタ識別部
３２角度検出器

Claims

回転体と、該回転体の回転に連動して回転する回転磁石と、該回転磁石の回転角θに応じた磁界の方向変化によってｓｉｎθ、ｃｏｓθ、−ｓｉｎθ、−ｃｏｓθの各信号を出力する磁気センサとを備え、
前記磁気センサの各出力信号から、位相が前記各出力信号の１／４周期分ずれた第１及び第２のｔａｎ^−１θの信号を生成すると共に、これら２つのｔａｎ^−１θの信号から、ｓｉｎθの信号とｃｏｓθの信号のクロス点、−ｓｉｎθの信号とｃｏｓθの信号のクロス点、ｓｉｎθの信号と−ｃｏｓθの信号のクロス点及び−ｓｉｎθの信号と−ｃｏｓθの信号のクロス点で第１のｔａｎ^−１θの信号から第２のｔａｎ^−１θの信号に、又は第２のｔａｎ^−１θの信号から第１のｔａｎ^−１θの信号に切り換わる鋸歯状信号を生成し、この鋸歯状信号に基づいて前記回転体の１回転内の角度を検出することを特徴とする絶対角検出装置。
前記回転体の１回転を８ｎ個（ｎは自然数）のセクタに分割し、それら各セクタのそれぞれに対応する前記鋸歯状信号に基づいて各セクタ内の角度を検出することを特徴とする請求項１に記載の絶対角検出装置。
前記回転体にその回転軸と同心にコードホイールを設け、該コードホイールに前記セクタを識別するためのデジタルコード列に応じたコードパターンを設け、該コードパターンと対向するようにコード検出素子を設けることを特徴とする請求項２に記載の絶対角検出装置。
前記回転磁石は、前記回転体または前記コードホイールに増速機構を介して連結されることを特徴とする絶対角検出装置。
前記増速機構は、前記コードホイールをなす第一歯車と、前記回転体の回転軸に平行な回転軸をもち前記第一歯車に噛合する第二歯車とを有し、前記回転磁石は、該回転磁石の中心が前記第二歯車の回転中心と一致するように設けられることを特徴とする請求項４に記載の絶対角検出装置。